A pesar de tener instrucciones genéticas idénticas, las larvas de abejas hembra pueden convertirse en reinas reproductoras longevas o en obreras estériles de corta vida que ayudan a criar a sus hermanas en lugar de poner sus propios huevos.
por la Universidad Estatal de Pensilvania
Ahora, un equipo interdisciplinario dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha descubierto los mecanismos moleculares que controlan cómo el conflicto entre los genes heredados del padre y la madre determina el destino de la larva.
Publicaron sus hallazgos esta semana (18 de junio) en Genome Biology .
«Imagina que los genes de tu madre y los de tu padre discreparan constantemente sobre cómo deberías desarrollarte; eso es esencialmente la impronta genómica, y vemos que ocurre a lo largo del árbol de la vida: desde las abejas hasta los humanos», afirmó Sean Bresnahan, autor principal del estudio, quien lo dirigió como doctorando en el Programa Interdisciplinario de Posgrado en Biociencias Moleculares, Celulares e Integrativas de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida de Penn State. Bresnahan se graduó en 2024 y actualmente trabaja como científico de datos en el Centro Oncológico MD Anderson de la Universidad de Texas.
Descubrimos que este ‘argumento’ genético puede detectarse durante una ventana crítica del desarrollo, cuando la larva de la abeja melífera se convierte en reina o en obrera.
Esa ventana crítica se cierra y el destino de la abeja se vuelve irreversible 192 horas después de la puesta del huevo. Para distinguir entre los patrigenes (genes heredados del padre) y los matrigenes (genes heredados de la madre), la coautora del estudio, Kate Anton, tecnóloga investigadora del Centro de Investigación de Polinizadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, utilizó la inseminación instrumental para crear cruces genéticos específicos entre reinas seleccionadas y abejas macho, conocidas como zánganos.
Los investigadores trabajaron con la Incubadora de Investigación Genómica de Penn State para analizar el ARN de las larvas, que contiene y utiliza la información genética heredada para crear proteínas y mantener la actividad celular, e identificar los genes que se expresaban de forma diferente en ambos grupos. También secuenciaron los genomas de los progenitores y utilizaron marcadores genéticos para rastrear la expresión génica de origen parental en las larvas, lo que les permitió observar cómo la expresión génica variaba según si el gen provenía de la madre o del padre.
«Encontramos que los patrigenes se expresaban en niveles más altos en las larvas destinadas a la reina, y los matrigenes se expresaban en niveles más altos en las larvas destinadas a las obreras», dijo Bresnahan.
Luego, los investigadores examinaron las vías celulares y fisiológicas para determinar si los genes que mostraban la expresión del padre de origen funcionaban en la misma vía.
«Observamos una sorprendente coincidencia entre la expresión de matrigénes y patrigenes en la misma vía», afirmó Bresnahan, explicando que si un matrigén presentaba una mayor expresión, un patrigen la habría disminuido en la misma vía, o viceversa, lo que demuestra que ambos genes actúan en contra. «Si un gen mostraba una expresión específica del progenitor, otro gen de la misma vía mostraba una expresión específica del progenitor opuesto».
Anteriormente, el equipo examinó si la metilación del ADN (un proceso en el que las etiquetas de proteínas cambian la forma en que se expresa un gen sin alterar el ADN subyacente) era el mecanismo molecular subyacente a estos patrones de expresión genética diferencial.
En mamíferos y plantas, la expresión diferencial de genes improntados (genes donde solo se expresa la información heredada de uno de los progenitores) suele estar mediada por diferencias en la metilación del ADN en las regiones reguladoras, donde secuencias específicas de ADN controlan la expresión de estos genes —explicó la coautora del estudio, Christina Grozinger, Profesora de Entomología Publius Vergilius Maro y directora de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida—. Sin embargo, nuestro trabajo previo reveló que la metilación del ADN no cumple esta función en las abejas melíferas.
Los investigadores consideraron entonces la posibilidad de que no sean las etiquetas del ADN las que influyan en la expresión génica en las abejas melíferas, sino las etiquetas en las estructuras alrededor de las cuales se empaqueta el ADN. El ADN se enrolla alrededor de las histonas , en una estructura llamada cromatina. Durante la reproducción celular, la cromatina se condensa en cromosomas. Normalmente, los organismos multicelulares en desarrollo heredan el mismo número de cromosomas de cada progenitor, lo que proporciona el conjunto de genes que compone la composición genética específica de un organismo.
El equipo planteó la hipótesis de que los cambios en la estructura de las histonas —debidos a las etiquetas químicas colocadas en sus colas como resultado de procesos celulares— podrían hacer que los patrigenes y matrigenes fueran más o menos accesibles a otros factores reguladores. Este control podría potencialmente modificar su expresión.
Para probar esta hipótesis, el equipo utilizó un método desarrollado por el coautor del estudio, Shaun Mahony, profesor asociado en el Centro de Regulación Genética Eucariota y el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de Penn State.
El proceso implica fragmentar el ADN unido a una proteína (en este caso, histonas) y, posteriormente, usar anticuerpos específicos para las proteínas marcadas para capturarlas y aislarlas del resto de la cromatina. Los investigadores pueden analizar el ADN entrecruzado con la proteína capturada y determinar qué genes están involucrados y si se expresan o inhiben.
«Descubrimos que, en las abejas melíferas, la expresión del gen de origen está regulada por modificaciones de las histonas», dijo Bresnahan.
Explicó que las etiquetas químicas que modifican las histonas parecen mediar la expresión de patrigenes o matrigenes y, en última instancia, si una abeja melífera se convierte en reina o en obrera. Si bien el mecanismo subyacente no es la metilación del ADN, como los investigadores pensaron inicialmente, Bresnahan afirmó que no se trata de un hallazgo sorprendente.
«Lo que estamos observando en las abejas melíferas no es tan inusual si analizamos el tema con perspectiva: los mecanismos basados en histonas para los efectos de origen parental se utilizan más ampliamente en el árbol de la vida que los sistemas basados en la metilación del ADN», dijo Bresnahan.
Observamos estos mecanismos de impronta mediada por la cromatina tanto en plantas con flores como en mamíferos placentarios. Por lo tanto, las abejas melíferas, y quizás otros insectos sociales, podrían estar utilizando las herramientas ancestrales para mediar en estos conflictos genéticos.
Esta comprensión podría ayudar potencialmente a criar selectivamente abejas melíferas con diferentes comportamientos y rasgos, lo que podría ayudar a producir colonias de abejas más productivas y resistentes, según Grozinger, quien dijo que su laboratorio planea estudiar cómo el conflicto intragenómico influye en qué tan bien un subconjunto de abejas melíferas, llamadas abejas nodrizas, crían abejas jóvenes, entre otros rasgos.
Bresnahan afirmó que el proyecto se extiende más allá de las abejas melíferas, ya que las habilidades adquiridas en este proyecto se aplican a su trabajo actual. En su nuevo puesto, Bresnahan continúa explorando cómo los conflictos genéticos configuran rasgos complejos y sistemas sociales, pero ahora se centra en cómo la placenta media los rasgos para la salud maternoinfantil en humanos.
«Las habilidades que desarrollé al estudiar los efectos de la progenitora de origen se aplican directamente a mis estudios actuales sobre la salud maternoinfantil mediada por la placenta», afirmó Bresnahan. «Me interesa especialmente la expresión génica de la progenitora de origen asociada con rasgos mediados por la placenta, como la programación temprana del riesgo de enfermedades metabólicas y neuropsiquiátricas, que podría ayudarnos a comprender mejor las complicaciones del embarazo y los resultados en la salud de la descendencia».
Brock Harpur, profesor asociado de entomología en la Universidad de Purdue, también contribuyó a este estudio.
Más información: Sean T. Bresnahan et al., Conflicto intragenómico asociado con plasticidad fenotípica extrema en la determinación de la casta reina-obrera en abejas melíferas (Apis mellifera), Genome Biology (2025). DOI: 10.1186/s13059-025-03628-0
